ほとんどの風力タービンは風に面していますが、それには十分な理由があります。1980 年代以来、風力タービンの開発者は、いわゆる「デンマーク コンセプト」を設計に使用してきました。3 つのブレードが風上に (つまり、風に面して) 配置され、エネルギー生産を最大化するために風に面し続けるように設計されています。

この春、国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) の研究者グループは、デンマーク工科大学 (DTU) と協力して、「方向転換すると何が起こるのか」という質問に答えることで、デンマークの概念に挑戦しようとしました。風力タービンブレードその周り？

NRELの風力エネルギー研究者（プロジェクトリーダー）のピエトロ・ボルトロッティ氏は、「タービンをすべて風上に設置すべきかどうかについて、研究コミュニティでは何十年も議論が続いている」と述べた。「この基準が設定された 1980 年代に当社が開始したタービンは、現在導入されているものとは大きく異なりました。タービンははるかに小型で、より分厚いブレードとより分厚いタワーを備えていました。」

最近の実験の目標は、風上パラダイムが依然として有効であるかどうかについての確かなデータを提供することでした。

反対側では

実験を完了するために、NREL と DTU の研究者は、コロラド州の NREL のフラットアイアンズ キャンパスにある 1.5 メガワットの研究用風力タービンのローターを、タワーの頂上にある風向計とナセル (ギアボックスを収容する) とともに文字通り反転させました。その後、彼らは発電機を別の方向に回転するように再配線しました。「さらに、何も壊さないようにするために、他にも何百万ものことをしなければなりませんでした」とボルトロッティ氏は語った。

技術者が高所作業台の上で昼も夜も過ごして移行を行い、圧力ベルトを取り付け、風力タービンからさまざまな距離にマイクを設置した後、チームはデータの収集を開始することができました。

「私たちがこの実験を行った理由は 2 つあります。1 つはダウンウインド タービンの技術経済的な実現可能性を研究するため、もう 1 つはタービン ブレードの圧力分布のパフォーマンスを測定できる DTU の非常に新しい機器を利用するためです」とボルトロッティ氏は述べています。

ボルトロッティ氏は、ジェイソン・ロードマン氏、マーク・アイバーソン氏、クリス・イワノフ氏、ジョン・ケラー氏、デレク・スローター氏など、他の多くの風力エネルギー研究者や技術者から支援を受け、物理的な移行と結果の監視に協力しました。

数十年来の疑問に答える技術経済分析

この実験は、米国エネルギー省の風力エネルギー技術局が資金提供するビッグ・アダプティブ・ローター（BAR）プロジェクトを通じて実施されている最終プロジェクトの1つである。BAR の目標は、陸上風力タービン技術の開発を支援し、特に柔軟性を高めた軽量ブレードの製造に関連するコストを削減する方法を特定することです。

「我々はあらゆる候補者を検討した」とボルトロッティ氏は語った。「そして、風下に行くことが柔軟性をさらに高めてコストを削減する機会になるかどうかを調査したいと思いました。」

一見すると、風下シナリオのいくつかの側面は有望に思えます。まず、ダウンウインド タービンのブレードは風によって自然にタワーから遠ざけられるため、タワーを避けるほどの剛性を必要としない、より軽量で柔軟なブレードを設計する機会があります。そして、刃が軽くなればなるほど、製造コストも安くなります。

第 2 に、風力タービンのローターの傾きによってタービンの後流が地面に向けられるため、農場内の他のタービンに干渉する可能性が低くなります。また、ダウンウインドローターが大規模な風力発電所の出力性能を向上させることを示す研究もある。

しかし、風下シナリオには大きな問題が 1 つあります。刃が塔の後ろを通過するとき、一瞬だけ風から守られるという事実。これによりブレードにかかる圧力が変化し、振動または変動が発生し、ブレード自体に疲労が生じ、「ドスン」という可聴音が発生します。そして、その衝撃は、ブレードの 1 つがタワーの後ろを通過するたびに、つまり頻繁に発生します。

11 時間にわたるデータ収集の過程で、チームは実際に、聞こえる範囲のコミュニティに影響を与える可能性のある可聴レベルの衝撃音を捕捉しました。

圧力がかかるブレード

振動はただ目立つ音を発生させるだけではありません。また、風力タービンにも圧力が発生しました。実験中、その圧力は、DTU の研究者がブレードの 1 つとタービン タワーに取り付けた 3 つの特別なベルトを介して測定されました。

「ベルトはDTUが取り組んでいる非常に新しい計器です」とボルトロッティ氏は述べ、ベルト装置は研究者が風上か風下かにかかわらずローターの性能を判断するのに役立つと付け加えた。「私たちはこの実験を、DTU がこの技術を推進するのに役立てるために利用しました。これは非常に貴重でユニークなデバイスであり、将来的には風上ローターに再び使用したいと考えているからです。」

実験中、ベルトはローターの回転に沿った圧力分布を測定し、チームはタワー後方の振動がブレードに与える影響を正確に観察することができました。これらの測定は、ダウンウインドローターが受ける疲労負荷の増加について重要な洞察を得るのに役立ちます。

研究でベルトを使用することのもう 1 つの重要な利点は、生成されたデータです。これらのデータは、チームが NREL の OpenFAST ツールを使用して開発した空力弾性数値モデルの実世界での検証を提供できます。

「NRELでは、風力タービンや風力発電所などの負荷、性能を数値的に予測するためのツールを多数開発しています」とボルトロッティ氏は述べ、これらの数値ツールを検証するには圧力ベルトのような装置が重要であると付け加えた。

研究チームは、より従来型のローターでの将来の実験で圧力ベルトを使用する予定です。「BAR プロジェクトのおかげで、私たちはこのベルトが風力タービンについての理解を深めるのに役立つ貴重な実験データセットを生成する実行可能な方法であると確信しています」とボルトロッティ氏は語った。

結論を出す

研究の正式な結果は2024年後半まで公表されないが、暫定的な結果は、風下での運用の潜在的な利点が欠点を上回らないと結論付けるのに十分である。

ボルトロッティ氏は、風下の陸上タービンには騒音とブレード疲労の懸念があるものの、その影響は不明瞭であることをチームが認識していたと指摘した。

「研究コミュニティは1980年代のデータセットや逸話的証拠に頼らざるを得ませんでしたが、科学においてはそれらは十分ではありませんでした」とボルトロッティ氏は述べた。「私たちは今、次世代の陸上配備型システムが、風力タービンより大規模でより柔軟になるでしょうが、デンマークのコンセプトが引き続き主要なテクノロジーであり続けるでしょう。」

最終的に、この実験は大きな成果となりました。それは、モデリング ツールとシミュレーション ツールを検証しながら、実用規模のダウンウインド タービンの性能に関する重要なデータを収集したという事実だけではありません。

「私たちは、誰もできるとは思わなかったことをしました。それは、広範囲の空力音響、荷重、圧力データを記録する大規模な計器類を備えたかなり大きな風力タービンを回転させることでした」とボルトロッティ氏は語った。「この 1.5 メガワットのタービンは現代の設備に比べれば小さいですが、それでも大きな獣であり、ボルトを 1 本も折ることなく風下で安全に回転させることができたのは大きな成果でした。」